〈研究論文〉太陽電池を用いる照明光通信の研究

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さあしゃさくもと
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1 近畿大学工学部研究報告 No.45,2011 年,pp Research Reports of the Faculty of Engineering, Kinki University No , pp 太陽電池を用いる照明光通信の研究上野良太, 天野翔一, 柴谷嘉彦, 藤本暢宏 A Study on Illumination Light Communication Using a Solar Cell Ryota UENO*, Shouichi AMANO**, Yoshihiko SHIBATANI** and Nobuhiro FUJIMOTO** synopsis A solar cell is available for the optical detector of illumination lite communication system. It enables the long distance illumination lite communication system using white LEDs. The proposed system using a solar cell can achieve three times longer transmission distance than the conventional system using a Si-PD. Experimental results show that the proposed system can play a key role in long distance illumination light communication systems. Keywords : white LED, illumination lite communication 1. はじめに白色 LED(Light Emitting Diode: 発光ダイオード ) を用いた照明光通信システム [1] はユビキタスネットワーク実現のための有望なインフラの一つである本システムにおいて白色 LED は照明機器として使われるだけでなく情報通信にも使われる白色 LED は小型で低電圧駆動でありさらには省電力長寿命であるため交通信号灯携帯電話や電子機器のバックラ * 近畿大学大学院システム工学研究科 ** 近畿大学工学部電子情報工学科イトなどに利用されており最近では環境への配慮から白熱電球の代わりとして LED 電球が製品化され利用され始めている今回の報告書では照明光通信システムにおける通信可能距離の長距離化を目的として太陽電池 [2] を受光素子として用いる構成を検討し試作回路によりその基本動作を確認したので報告する Graduate School of Systems Engineering, Kinki University Department of Electronic Engineering and Computer Science, School of Engineering Kinki University 73

2 74 近畿大学工学部研究報告 No 長距離化の方法まずは長距離化するために必要な点について考える光無線通信における最大伝送距離は以下で表される l ここでl max Prmin max Pt (Pr α min Pd) ( 1 ) は最大伝送距離 Pt は送信出力光電力は最小受信光電力 Pd は受光感度劣化 α は空間伝送路平均損失を表しているまた LED の放射パターンはランベルト放射で近似でき受信光電力は以下で表される [3] ( m 1 ) A Pr Ptcos 2 2π l m ( ) T s ( ) g ( )cos( ) (2) 信光電力 Pr が大きくなり距離の伸長が可能となるまた受光面を LED の発光面の中心点に対面するように設置し受光面に入射する光の角度入射角を限りなく 0 度にする必要がある図 2 に距離の伸張方法外略図を示す今回は主に受光検波面積 A を大きくすることで通信距離の伸長に対してどれほどの効果を得ることが出来るのかを測定する実験であるため光フィルタや集光器は用いないことにするそのため式 (2) にある光フィルタのゲイン Ts( ) と集光器のゲイン g( ) とするは考えないものここで Pr は受信光電力 A は受光検波面積 Pt は送信出力光電力 l は伝送距離は放射角 m は放射パターンの指向性は入射角 Ts( ) は光フィルタのゲイン g( ) は集光器のゲインを表している図 1 に式 (2) に対応させた図を示すさらに放射パターンの指向性 m は放射強度半値角 1 2 を用いて以下のように表される [4] 図 1. 光送受信器の関係図 m l n ( 2 ) l n ( c o s 1 2 ) ( 3 ) 長距離化を行うためにまず光送信器側で必要な点を考える式 (1) から光送信器に用いる LED を高光度な物にし送信出力光電力 Pt を大きくすることで最大伝送距離 l max を拡大することが可能である式 (3) からは指向性の狭い LED を用いることで放射強度半値角 1 2 の値を小さくし放射パターンの指向性 m の値を大きくすることが可能である m が大きくなると式 (2) から受信光電力 Pr が大きくなるため距離の伸長が可能であるさらに式 (2) から光受信器側の受光面の中心点に対面するように LED の光の放射角を限りなく 0 度にする必要がある次に光受信器側に必要な点を考える式 (2) から光受信器に用いる受光素子の受光検波面積 A を大きくすることで受図 2. 距離の伸張方法概略図 3. 光送信器に使用する LED 先ほど述べたように通信距離を伸張するためには高光度であり指向性が狭い LED を用いる必要があるその条件で選定した結果図 3 に示すような LUXEON 社の LXHL-NWE8 を用いることに決定した LXHL-NWE8 の特徴として中心平均光度は 500cd であり放射強度半値角 1 2 は 5 度である例えば一般的な砲弾

太陽電池を用いる照明光通信の研究 75 型 LED の平均光度は約 2cd 程度であり放射強度半値角 1 2 は 20 度であるため LXHL-NWE8 はその値の差からも見て取れるように高光度であり指向性が狭い LED であることがわかる太陽電池の等価回路を示す太陽電池の等価回路は電流源とダイオードコンデンサの並列接続であると考えられている今回受光素子として用いる条件を

3 太陽電池を用いる照明光通信の研究 75 型 LED の平均光度は約 2cd 程度であり放射強度半値角 1 2 は 20 度であるため LXHL-NWE8 はその値の差からも見て取れるように高光度であり指向性が狭い LED であることがわかる太陽電池の等価回路を示す太陽電池の等価回路は電流源とダイオードコンデンサの並列接続であると考えられている今回受光素子として用いる条件をコンデンサの並列容量 C の値が小さいものとするこの容量 C が小さいほど広帯域に対応できる素子であると考えられるためである図 3.LXHL-NWE8 とその特徴図 4. 太陽電池の等価回路 4. 光受信器に使用する受光素子次に光受信器に使用する受光素子を選定する当研究室で用いられている受光素子 (Si-PD) で一番大きい受光検波面積を持つ素子は S1223 で 6.6mm 2 である通信距離の伸張を目的とした本実験ではこの大きさでも非常に小さいそのため受光検波面積の大きい受光素子を模索した結果太陽電池を受光素子として応用することが可能だと考えた基本動作としては太陽電池は PD と同じく光起電力効果を用いて電流を発生させるそのため太陽電池も受光した光パワー 6. 太陽電池の最適抵抗値一般的に太陽電池には適した負荷抵抗 R L を使用する必要がある図 5に太陽電池における電流 I 電圧 V 負荷抵抗 R L の関係図を示す例えば R L が大きすぎると I RL が小さくなり太陽電池から取り出せる電力が小さくなるまた R L が小さすぎると V RL が小さくなりやはり取り出せる電力が小さくなるそのため取り出せる電力を最大にするにはR L を最適な値にする必要がありその抵抗値は最適抵抗値と呼ばれているの強弱によって流れる電流に変化が出るため光無線通信に応用できると考えられるまた太陽電池は発電を目的としているため大面積であるものが多い通信距離の伸張のために大面積受光素子が必要な本研究にとって太陽電池は十分な面積を確保できる素子であると言える以上のことから本研究では受光素子として Si-PD の代わりに太陽電池を用いることに図 5. 最適抵抗値した 7. 太陽電池の容量 C の測定図 6 に太陽電池の容量 C を測定するために用いた 5. 太陽電池の選定現在実用化されている代表的なシリコン太陽電池には単結晶型 (single crystal) 多結晶型 (polycrystal) アモルファス型(amorphous) の 3 種類がある今回は市販品で簡単に購入できるものから通信に向いている太陽電池を選定したここで図 4に光送受信回路のブロック図を図 5に示すまずネットワークアナライザを用いて光送信器 - 光受信器間の 3dB 利得低下周波数 (fc) を測定する次に式 (4) からfcとR L を用いて各太陽電池の容量 C を求める

太陽電池の Voc,Isc アモルファス多結晶単結晶 9-2. 多結晶型太陽電池での測定結果次に多結晶型太陽電池の容量 C を求めた Voc Isc より多結晶型太陽電池 [p1] [p2] の最適抵抗値を求めた結果 R L は 2.7Ωと 7.

4 76 近畿大学工学部研究報告 No.45 図 6. 回路ブロック図 C 1 2π R L (4) f c ここで C は容量 R L は負荷抵抗 fc は 3dB 利得低下周波数を表している図 7. アモルファス型太陽電池の容量 C 図 7より最適抵抗値付近の太陽電池 [a1] [a2] の容量 C は約 32.1nF 約 16.5nF となり太陽電池 [a2] の方が小さくなったこの結果より Isc が小さいと容量 C は小さくなると考えられる 8. 太陽電池の開放電圧短絡電流の測定表 1に購入できた太陽電池全体の受光面積 (A) および実測した開放電圧 (Voc) 短絡電流 (Isc) の測定結果を示す測定環境は晴天下で太陽光 lux の時である表 1. 太陽電池の Voc,Isc アモルファス多結晶単結晶 9-2. 多結晶型太陽電池での測定結果次に多結晶型太陽電池の容量 C を求めた Voc Isc より多結晶型太陽電池 [p1] [p2] の最適抵抗値を求めた結果 R L は 2.7Ωと 7.3Ωとなった光受信器の R L を変化させ利得周波数特性を測定し計算により求めた容量 C を図 8に示す a1 a2 p1 p2 s1 s2 A(c m2 ) Voc(V) Isc(mA) アモルファス型太陽電池での測定結果まずアモルファス型太陽電池の容量 C を求めた Voc Isc よりアモルファス型太陽電池 [a1] [a2] の最適抵抗値を求めた結果 R L は 83Ωと 117Ωとなった光受信器の R L を変化させ利得周波数特性を測定し計算により求めた容量 C を図 7に示す図 8. 多結晶型太陽電池の容量 C しかし太陽電池 [p1] [p2] の最適抵抗値は非常に小さく図 8を見て分かるように測定精度の低さから計算により求めた容量 C は大きく変動しており正確な値を求めることはできなかった

太陽電池を用いる照明光通信の研究 77 9-3. 単結晶型太陽電池での測定結果次に単結晶型太陽電池の容量 C を求めた Voc Isc より単結晶型太陽電池 [s1] [s2] の最適抵抗値を求めた結果 R L は 37.4Ωと 262Ωとなった光受信器の R L を変化させ利得周波数特性を測定し計算により求めた容量 C を図 9に示す 11-1.

1mm 2 であるまたすべての実験において光変調方式は IM-DD( 強度変調 - 直接検波 ) 方式を用い PN( 擬似ランダムパターン )9 段信号で測定を行った図 11に光送信器 - 光受信器間の周波数応答特性を示す図 11より -3dB 利得周波数 fc は 28.

5 太陽電池を用いる照明光通信の研究単結晶型太陽電池での測定結果次に単結晶型太陽電池の容量 C を求めた Voc Isc より単結晶型太陽電池 [s1] [s2] の最適抵抗値を求めた結果 R L は 37.4Ωと 262Ωとなった光受信器の R L を変化させ利得周波数特性を測定し計算により求めた容量 C を図 9に示す光送信器 -PD(S5971) 光受信器での測定まず広帯域に対応した PD(S5971) を用いた光受信器での測定を行った S5971 の受光検波面積は 1.1mm 2 であるまたすべての実験において光変調方式は IM-DD( 強度変調 - 直接検波 ) 方式を用い PN( 擬似ランダムパターン )9 段信号で測定を行った図 11に光送信器 - 光受信器間の周波数応答特性を示す図 11より -3dB 利得周波数 fc は 28.0MHz である図 12に光送信器 - 光受信器間でのビット誤り率の測定結果を示す図 12 より 10Mbps でのエラーフリー ( ) を確保できた距離は 14.5cm であった図 9. 単結晶型太陽電池の容量 C 図 9より最適抵抗値付近の太陽電池 [s1] [s2] の容量 C は約 26.7nF と約 3.5nF となり太陽電池 [s2] の方が小さいことが分かった以上の実験結果から購入できた太陽電池では単結晶型太陽電池 [s2] の容量 C が一番小さかったよって太陽電池 [s2] を光受光素子として用いることにした図 11. 光送信器 - 光受信器間での周波数応答特性 10. 原理確認実験提案手法の有効性を確認するために原理確認実験を行った図 10に光送受信回路のブロック図を示す光送信回路では LED 駆動回路に市販 IC とトランジスタを用いたさらに受光素子として Si-PD もしくは太陽電池を用い市販オペアンプをプリアンプとして識別 IC を組み合わせて光受信回路を組んだ図 12. 光送信器 - 光受信器間でのビット誤り率図 10. 回路ブロック図

78 近畿大学工学部研究報告 No.45 11-2. 光送信器 - 太陽電池光受信器での測定次に太陽電池 [s2] を受光素子にした光受信機での測定を行った図 13に光送信器 - 光受信器間の周波数応答特性を示す図 13より -3dB 利得周波数 fc は 4.

PD と太陽電池での通信距離の比較図 15に 10Mbps での PD と太陽電池でのエラーフリーを確保できた距離を示す図 15からわかるように PD に比べ太陽電池を受光素子に用いた場合では約 3 倍の通信可能距離を確保できた図 15.PD と太陽電池での比較 12. 結論図 13.

6 78 近畿大学工学部研究報告 No 光送信器 - 太陽電池光受信器での測定次に太陽電池 [s2] を受光素子にした光受信機での測定を行った図 13に光送信器 - 光受信器間の周波数応答特性を示す図 13より -3dB 利得周波数 fc は 4.4MHz である図 14に光送信器 - 光受信器間でのビット誤り率の測定結果を示す図 14より 10Mbps でのエラーフリー ( ) を確保できた距離は 43.8cm であった 11-3.PD と太陽電池での通信距離の比較図 15に 10Mbps での PD と太陽電池でのエラーフリーを確保できた距離を示す図 15からわかるように PD に比べ太陽電池を受光素子に用いた場合では約 3 倍の通信可能距離を確保できた図 15.PD と太陽電池での比較 12. 結論図 13. 光送信器 - 光受信器間での周波数応答特性 PD の代わりとして太陽電池を受光素子として用いても光無線通信が行えるということが分かったまた太陽電池を受光素子として用いることで受光検波面積を大きくすることができ光無線通信の距離の伸張が可能なことを確認できた参考文献 [1]Y.Tanaka and M.Nakagawa, Indoor visible light data transmission system utilizing while LED 図 14. 光送信器 - 光受信器間でのビット誤り率 lights,ieice Tran.Commun, vol.e86-b, no.8, pp , 2003 [2] トコトンやさしい太陽電池の本産業技術総合研究所太陽光発電研究センター編著 [3] Joseph M. Kahn and John R. Barry, Wireless Infrared Communications, Proceedings of the IEEE, Vol.85, No.2, February [4] 平成 17 年度卒業研究予稿集 2-1~2-2

RLC 共振回路概要 RLC 回路は, ラジオや通信工学, 発信器などに広く使われる. この回路の目的は, 特定の周波数のときに大きな電流を得ることである. 使い方には, 周波数を設定し外へ発する, 外部からの周波数に合わせて同調する, がある. このように, 周波数を扱うことから, 交流を考える

RLC 共振回路概要 RLC 回路は, ラジオや通信工学, 発信器などに広く使われる. この回路の目的は, 特定の周波数のときに大きな電流を得ることである. 使い方には, 周波数を設定し外へ発する, 外部からの周波数に合わせて同調する, がある. このように, 周波数を扱うことから, 交流を考える共振回路概要回路はラジオや通信工学などに広く使われるこの回路の目的は特定の周波数のときに大きな電流を得ることである使い方には周波数を設定し外へ発する外部からの周波数に合わせて同調するがあるこのように周波数を扱うことから交流を考える特に ( キャパシタ ) と ( インダクタ ) のそれぞれが周波数によってインピーダンス *) が変わることが回路解釈の鍵になることに注目する